Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Синтез электронных цифровых устройств на основе логических модулей. Учебное пособие
.pdf
21
Рис. 3.3. Монтажная схема размещения модулей и подключения питания
к ним при исследовании демультиплексора
Наблюдая за состоянием световых индикаторов порта вывода, внесите получаемые значения выходных сигналов Q0, Q1, Q2 и Q3, в зависимости от адреса информационного порта данных, в таблицу истинности (табл. 3.1).
Таблица 3.1
Таблица истинности демультиплексора
D
A1
A0
Q3
Q2
Q1
Q0
0 0 0 0 0 1 0 0
0 0 0 1
0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1
Схема не работает
Примечание: светящийся индикатор означает наличие сигнала
«лог. 1».
22
Сравните полученные результаты экспериментального исследования работы демультиплексора с таблицей истинности, составленной на
практическом занятии по компьютерному моделированию демультиплексора (табл. 3.1).
Контрольные вопросы
1. Дайте определение демультиплексора.
2. Каково назначение демультиплексора?
3. Приведите условное графическое обозначение демультиплексора.
4. Какие выводы имеет интегральная схема демультиплексора?
5. Какие сигналы действуют на выводах?
6. Поясните принцип работы демультиплексора.
7. Изобразите таблицу истинности демультиплексора.
8. Каким аналитическим уравнением (ФАЛ) описывается работа
демультиплексора 1×2 с управляющим входом? В уравнении используйте следующие логические обозначения: вход D, выходы: Q0, Q1, Q2,
Q3, разрешающий вход – . Какие логические элементы потребуются
для реализации?
9. Как можно на основе двух демультиплексоров 1×2 сделать один
демультиплексор 1×4? Какие дополнительные элементы понадобятся?
23
Лабораторно-практическая работа № 4
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ
АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Цели работы
1. Ознакомление с работой реальной микросхемы аналого-
цифрового преобразователя (АЦП).
2. Определение экспериментально основных параметров АЦП, не-
обходимых для его практического применения.
Содержание работы
1. Изучение принципа действия и конструкцию АЦП.
2. Ознакомление со схемой включения АЦП.
3. Экспериментальное определение масштаба преобразования АЦП.
4. Экспериментальное определение величины погрешностей АЦП.
Подготовка к выполнению работы
1. Назначение АЦП
АЦП преобразует входное электрическое напряжение постоянного
тока в выходной двоичный цифровой код (рис. 4.1). Этот цифровой код
АЦП выводит на свой выход и его можно прочитать. Фактически АЦП –
это цифровой вольтметр, измеряющий напряжение в некотором масштабе. Его применяют для измерения напряжений с целью дальнейшей
обработки результата цифровыми системами.
Существуют АЦП, измеряющие только положительное напряжение (они проще и дешевле), а также АЦП, измеряющие как положительное, так и отрицательное напряжение. Такие АЦП выдают результат в дополнительном коде со знаком.
Величина входного напряжения может быть выбрана любой (в допустимом диапазоне), а выходной код принимает только целые значения. Поэтому функция преобразования является ступенчатой – входное
напряжение округляется до определенной величины ΔU. Такое округление называется квантованием по уровню, а сама величина ΔU – шагом квантования, или квантом напряжения (это величина «ступеньки»
представлена на рис. 4.1). Выходной код показывает, сколько квантов
24
напряжения («ступенек») умещается во входном напряжении. Например, на рис. 4.1 при входном напряжении, равном 0,45 В, выходной код
равен числу 9 (1001 в двоичном представлении). Это означает, что
в напряжении 0,45 В умещается 9 квантов.
Рис. 4.1. Квантование по уровню
Найти неизвестное входное напряжение по известному выходному
коду можно, умножив выходной код на величину кванта напряжения.
В данном случае выражение будет иметь вид:
Величина кванта напряжения ΔU определяется из масштаба преобразования. Для этого необходимо знать два основных параметра АЦП:
– разрядность АЦП – число разрядов N двоичного числа, обозначающего выходной код;
– величину опорного напряжения Uоп.
Uоп – это специальное очень точное и высокостабильное напряжение, вырабатываемое специальной схемой внутри АЦП. Без источника
опорного напряжения АЦП работать не может.
АЦП сравнивает входное измеряемое напряжение с опорным и в зависимости от их соотношения выдает на выход цифровой код. Эта зави-
25
симость описывается следующим алгоритмом: если входное напряжение равно опорному, то АЦП выдает на выход максимально возможное
число – все единицы во всех разрядах. Если входное напряжение равно
половине опорного, то и выходной код соответствует половине максимального числа, и т.д. Если входное напряжение больше опорного, то
АЦП правильно работать не может. Он выдает на выход некоторый
код, который является неправильным, и сигнал перегрузки. Работа
АЦП в такой ситуации, когда Uвх > Uоп, зависит от конкретной схемы
АЦП и не стандартизована.
Итак, зная величину опорного напряжения Uоп и разрядность АЦП
N, можно определить квант напряжения ΔU:
2. Основные параметры АЦП
Наиболее важные из параметров следующие:
– разрядность – число разрядов выходного двоичного кода (чем их
больше, тем больше точность преобразователя);
– время преобразования – длительность одного преобразования
(измерения) характеризует быстродействие преобразователя;
– частота преобразования показывает, сколько преобразований
(измерений) в секунду АЦП сможет сделать при непрерывной работе;
максимальное входное напряжение;
погрешность преобразования;
напряжение и ток питания, потребляемая мощность;
величина создаваемых помех.
3. Типы АЦП
Современная промышленность выпускает в виде интегральных
схем АЦП различных типов. Тип АЦП определяется его конструкцией
и принципом действия. В зависимости от типа АЦП обладают различными параметрами, главными из которых являются точность и скорость
преобразования, причем чем выше точность, тем скорость работы
обычно меньше (при одинаковой стоимости). Основные типы АЦП и их
параметры приведены в табл. 4.1.
26
Таблица 4.1
Основные типы АЦП и их параметры
Тип АЦП
Разрядность
Максимальное
быстродействие
Цена
Применение
Параллельный
(прямого
преобразования,
Flash ADC)
6…8
5 млрд
преобразований/сек
Высокая –
очень
высокая
Суперскоростные
измерители
невысокой
точности
Конвейерный
8…16
2 млрд
преобразований/сек
Очень
высокая
Суперскоростные
измерители более
высокой точности
Последовательного
приближения
(поразрядного
уравновешивания,
SAR ADC)
8…20
5 млн
преобразований/сек
Очень
низкая –
низкая
Оптимальное
соотношение
точности
и скорости.
Подавляющее
большинство
применений
Сигма-дельта
(∆∑ ADC)
16…32
10 млн
преобразований/сек
Средняя
Там, где нужна
более высокая
точность
и скорость, чем
обеспечивает
SAR ADC
Интегрирующий
(двойного
интегрирования,
уравновешивания
заряда)
24…64
100
преобразований/сек
Низкая
для АЦП
низкой
точности,
высокая
для АЦП
высокой
точности
Цифровые
измерительные
приборы
4. Принцип действия АЦП последовательного приближения
АЦП последовательного приближения – это дешевые микросхемы,
обладающие достаточно высокой точностью и быстродействием. По-
27
этому они применяются очень широко для обработки сигналов от постоянного тока до переменного тока частотой до одного мегагерца.
При измерении каких-либо объектов принято последовательно
увеличивать точность измерения. Например, при измерении длины сначала определяют ее в метрах, затем добавляют к полученному значению остающиеся десятки сантиметров, после единицы сантиметров и
миллиметры. Иначе говоря, при каждом последующем измерении точность увеличивается на один десятичный разряд. Подобным образом
проводится измерение и в двоичной системе счисления. В этом случае
каждый раз точность измерения будет увеличиваться на один двоичный
разряд. При измерении сначала определяется значение первого, самого
старшего разряда, потом второго, третьего и так до самого конца. При
измерении каждого разряда производится одно элементарное действие –
сравнение входного напряжения с эталонным, опорным. Это действие
выполняется под действием импульсов синхронизации, подаваемых на
АЦП (на самом деле они генерируются внутри самой микросхемы). Для
получения N разрядного выходного двоичного числа требуется N + 1
синхроимпульс.
Опорное напряжение создается источником опорного напряжения
Uоп (рис. 4.2). Это напряжение используется либо целиком, либо используется только его часть: 1/2, 1/4, 1/8, 1/16 и т.д. Такое напряжение
получается из опорного при помощи управляемого делителя напряжения, которым управляет специальная схема (рис. 4.2). Измеряемое
входное напряжение поочередно сравнивается с частью опорного
напряжения, и по результатам сравнения устанавливаются отдельные
биты выходного кода. Отсюда и происходит название преобразователя:
выходной код последовательно уточняется, за каждый такт вычисляется каждый новый «разряд после запятой» и в результате происходит
приближение к точному значению результата. Название «поразрядное
уравновешивание» происходит по аналогии со взвешиванием на весах
при помощи гирь: сначала используются самые тяжелые гири, после
все более и более легкие, таким образом, по мере взвешивания результат все больше и больше уточняется.
28
Рис. 4.2. Структурная схема АЦП последовательного приближения
(поразрядного уравновешивания)
5. Погрешности АЦП
Как и любое измерительное устройство, АЦП обладает погрешностями. Действие двух основных погрешностей представлено на рис. 4.3.
Рис. 4.3. Основные погрешности АЦП
Интегральная погрешность показывает общую нелинейность
функции преобразования, когда для маленьких значений входного
напряжения может быть выбран один масштаб преобразования, а для
больших значений входного напряжения – другой масштаб. Интеграль-
29
ная погрешность позволяет оценить, насколько меняется масштаб преобразования при изменении величины входного напряжения.
Дифференциальная погрешность показывает среднюю величину
неодинаковости кванта напряжения ΔU («ступеньки» преобразования).
Совместно эти две погрешности определяют полную максимальную погрешность АЦП. Величину погрешности АЦП выражают в относительных единицах – количестве значений младшего значащего
разряда (МЗР). Например, в паспорте указана погрешность Р = 3 МЗР.
Известно, что квант напряжения составляет ΔU = 0,05 В. Тогда абсолютная погрешность для входного напряжения в вольтах определяется следующим образом:
Следует учитывать, что указанное в паспорте значение погрешности учитывает только свойства самого АЦП, неточность и нестабильность источника опорного напряжения Uоп дают дополнительную погрешность.
6. Принципиальная электрическая схема АЦП
В лабораторной работе исследуется недорогой АЦП с невысокими
значениями типа ADC0808 производства компании Texas Instruments
(TI), основные параметры которого приведены в табл. 4.2.
Таблица 4.2
Параметры АЦП
Тип АЦП
Характеристика
последовательного приближения
Исполнение
Вся схема – в одной микросхеме.
Дополнительно подключаются
тактовый генератор и источник
опорного напряжения.
Предусмотрена совместная работа
с компьютером
Разрядность
8 бит
Максимальное быстродействие
10 тыс. преобразований/сек
Погрешность
1,5 МЗР
Максимальное входное измеряемое
напряжение
5 В
Напряжение питания
5 В
Потребляемая мощность
0,015 Вт
Цена
6…8 долл.
Принципиальная электрическая схема АЦП показана на рис. 4.4.
30
Рис. 4.4. Принципиальная электрическая схема
блока АЦП
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]